遥感成像原理与图像特征

1、12高度：高度：150-36000千米，包括千米，包括航天飞机（航天飞机（300KM）、极轨）、极轨卫星（卫星（700-900KM）、地球）、地球同步轨道卫星（同步轨道卫星（36000KM）高度：高度：0-50米，车、船、塔等米，车、船、塔等高度：百米高度：百米-万米不万米不等，低、中、高空等，低、中、高空飞机，以及飞艇、飞机，以及飞艇、气球等。气球等。3.1遥感平台 遥感中搭载遥感器（传感器）的工具称为遥感平台，是遥感中搭载遥感器（传感器）的工具称为遥感平台，是传感器赖以工作的场所，平台的运行特征及其稳定状况直接传感器赖以工作的场所，平台的运行特征及其稳定状况直接影响传感器的性能和遥感资料的

2、质量。影响传感器的性能和遥感资料的质量。3按航天遥感平台的服务内容，可分为按航天遥感平台的服务内容，可分为1）气象卫星系列）气象卫星系列2）陆地卫星系列）陆地卫星系列3）海洋卫星系列）海洋卫星系列 4航天遥感航天遥感特点特点：观察范围大，发现宏观、整体的特征；观察范围大，发现宏观、整体的特征；效率高于航空遥感；效率高于航空遥感；获取同样数量的数据时，费用较低；获取同样数量的数据时，费用较低；适于动态监测；适于动态监测；分辨率一般低于航空遥感，但已在逐步改善分辨率一般低于航空遥感，但已在逐步改善5遥感卫星的姿态与轨道参数姿态描述：姿态描述：（1）三轴倾斜：）三轴倾斜：滚动：滚动：横向摇摆；横向摇

3、摆；俯仰俯仰（俯角）：纵向摇摆；（俯角）：纵向摇摆；偏航偏航（航偏角）：（航偏角）：偏移运行轨道偏移运行轨道（2）振动振动：非系统性的不稳定振动：非系统性的不稳定振动影响数据质量，使用数据前需进行几何纠正影响数据质量，使用数据前需进行几何纠正6卫星空间轨道及其运行特征：开普勒定律 卫星在空间运行，遵循天体运动的开普勒三定律。（1 1）开普勒第一定律）开普勒第一定律 星体绕地球（或者太阳）运动的轨道是一个椭圆，地球（太阳）位于椭圆的一个焦点上。 轨道离地最近的点称近地点近地点，反之为远地点远地点。7开普勒定律（1）2eaa远地点太阳 b近地点地球轨道8（2）开普勒第二定律 从地心或者太阳中心到星

4、体的连线（星体向径），在单位时间扫过的面积相等（面积速度守恒）。卫星在离地近的地方经过时的速度要快些，在离地远的地方运行的速度要慢些。a远地点近地点Minor axisMajor axisvpvaRpra 9（3）开普勒第三定律 开普勒第三定律，也称调和定律（周期定律）：是指绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星，其椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。这里，a是行星公转轨道半长轴，T是行星公转周期，K是常数，其大小只与中心天体的质量（M)有关。（1 1）轨道倾角）轨道倾角 轨道平面与地球赤道平面的夹角：轨道平面与地球赤道平面的夹角：卫星轨道上升时由赤道平面反时针旋转到轨道平面的夹角

5、。卫星轨道参数卫星轨道参数（2）升交点赤经）升交点赤经 卫星由南向北运行时经过赤道平面的那一点，叫“升交点” ；该点离春分点的经度值就是升交点赤经。（3）近地点幅角）近地点幅角 地心与升交点连线和地心与近地点连线之间的夹角。由于入轨后其升交点和近地点是相对稳定的，所以近地点幅角通常是不变的，它可以决定卫星在轨道平面内的方位。11遥感卫星的轨道类型遥感卫星的轨道类型地球同步轨道地球同步轨道（Geosynchronous satellite orbit ）卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期（23小时56分4秒），且方向与之一致，卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同，当轨道与赤道平面重合时叫

6、做地球静止轨道，即卫星与地面的位置相对保持不变。能够长时间观测特定地区，卫星高度高，能将大范围的区域能够长时间观测特定地区，卫星高度高，能将大范围的区域同时收入视野，应用于气象和通讯领域同时收入视野，应用于气象和通讯领域太阳同步轨道太阳同步轨道（ sun-synchronous satellite orbit ）：）：卫星的轨道面以与地球的公转方向相同方向而同时旋转的近卫星的轨道面以与地球的公转方向相同方向而同时旋转的近圆形轨道。圆形轨道。1213（1）框幅式摄影机）框幅式摄影机主要由收集器，物镜和探测器，感光胶片组成。主要由收集器，物镜和探测器，感光胶片组成。成像原理：成像原理：是在某一个摄

7、影瞬间获得一张完整的像片，一张像片上的所有像点共用一个摄影中心和同一个像片面。16（2）缝隙式摄影机缝隙式摄影机v=V*f/H, f为焦距为焦距 又称为推扫式摄影机或航带摄影机。 在飞机或卫星上，摄影瞬间所获取的影像，是与航线方向垂直且与缝隙等宽的一条线影像。 投影性质多为中心投影。17又称扫描摄影机或摇头摄影机。又称扫描摄影机或摇头摄影机。在物镜的焦面上平行于在物镜的焦面上平行于飞行方向设置一条狭缝，并随物镜作垂直于航线方向扫描，飞行方向设置一条狭缝，并随物镜作垂直于航线方向扫描，得到一幅扫描成像的图象。（扫描摄影机）得到一幅扫描成像的图象。（扫描摄影机）物镜摆动的幅面很大，能将航线两边的地

8、平线内的影象物镜摆动的幅面很大，能将航线两边的地平线内的影象都摄入底片。都摄入底片。-（全景摄影机）（全景摄影机）（2）全景摄影机）全景摄影机镜头转动式摄影机镜头转动式摄影机18焦距长焦距长，可达，可达600mm；幅面大幅面大，23cm(长长)*128cm（宽）；（宽）；扫描视场大扫描视场大，可达，可达180度；度；全景畸变全景畸变 (panoramic distortion)：像距不像距不变，物距随扫描角的增大而增大，出现变，物距随扫描角的增大而增大，出现两边比例尺逐渐缩小的现象，整个影像两边比例尺逐渐缩小的现象，整个影像产生全景畸变；扫描时，飞机向前运动，产生全景畸变；扫描时，飞机向前运动

9、，扫描摆动的非线性因素，使畸变复杂化。扫描摆动的非线性因素，使畸变复杂化。（3）多光谱摄影机）多光谱摄影机 对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机可对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机可充分利用地物在不同光谱区有不同的反射特征，来增加获充分利用地物在不同光谱区有不同的反射特征，来增加获取目标的信息量，以提高识别地物能力。取目标的信息量，以提高识别地物能力。三种基本类型：三种基本类型： 多摄影机型多摄影机型 多镜头型多镜头型 光束分离型光束分离型20Near-infrared (0.7 1.0 m) Red (0.6 0.7 m) Green (0.5 0.6 m) Blue

10、(0.4 0.5 m) 21按摄影机主光轴与铅垂线的关系分 垂直摄影和倾斜摄影主光轴：主光轴：通过物镜中心并与主平面（焦平面）垂直的直线； 主光轴垂直于像片面像主点：像主点：主光轴与像平面的交点像片倾角（航摄倾角）：像片倾角（航摄倾角）：主光轴与铅垂线的夹角； 像片面与水平面的夹角 垂直航空摄影： 航摄倾角3 获得近水平的航空像片 是航空遥感图象的主要获取方法 倾斜航空摄影： 航摄倾角3 获得倾斜航空像片 一般用于科学研究222324投影距离的影响垂直投影比例尺垂直投影比例尺和投影距离无关和投影距离无关中心投影焦距固定，航高改中心投影焦距固定，航高改变，其比例尺也随之改变变，其比例尺也随之改变

11、H1H2f垂直投影中心投影比例尺f/H25地形起伏对垂直投影影响：地形起伏对垂直投影影响：投影点之间的距离与地面实际水平距离成比例缩小，相对位置不变。对中心投影引起像点位移对中心投影引起像点位移BACabcACABCabcCA地形起伏的影响地形起伏的影响2627（2）像片比例尺）像片比例尺：像片上某线段长度（ ab ）与地面相应线段长度之比（AB） 用1/M表示 1/M = f/H = ab/AB 注：地形平坦，镜头主光轴垂直于地面。 f：物镜的焦距；H：飞行器的相对航高f 可在像片的边缘获相应的影像资料（航摄报告、设计）中找到；H由摄影部门提供；航高、地形起伏会影响比例尺中心投影像片比例尺在

12、中心和边缘是不同的。中心投影像片比例尺在中心和边缘是不同的。28(3) 像点位移像点位移 在中心投影的像片上，根据中心投影的原理，带有起伏状态的地形，在中心投影的像片上，根据中心投影的原理，带有起伏状态的地形，或高出地面的物体，反映到航空像片上的像点与其平面位置相比，一般或高出地面的物体，反映到航空像片上的像点与其平面位置相比，一般都会产生位置的移动，叫像点位移。都会产生位置的移动，叫像点位移。引起像点位移的因素：引起像点位移的因素：像片倾斜像片倾斜地面点相对于基准面的高差地面点相对于基准面的高差物理因素（摄影材料变形、物镜畸变、大气折光、地球曲率等）物理因素（摄影材料变形、物镜畸变、大气折光

13、、地球曲率等）29地形起伏引起的像点位移地形起伏引起的像点位移 h像片上的投影差像片上的投影差； h地面上的投影差地面上的投影差A点高程为点高程为h，其在像片上，其在像片上的构像为的构像为a；A在基准面上的投影为在基准面上的投影为A0，A0在像片上的构像为在像片上的构像为a0；aa0为由地形引起的像点位为由地形引起的像点位移，也称像片上的投影差移，也称像片上的投影差 h30 根据三角形相似原理，可得像点根据三角形相似原理，可得像点位移的计算公式：位移的计算公式： h = r*h/H r : 像点像点 a 到像主点的距离到像主点的距离 ; H 为摄影航高为摄影航高 ; h 为地面离差。为地面离差

14、。地形起伏引起的像点位移地形起伏引起的像点位移31像点位移规律像点位移规律对于相对高差相等的点，对于相对高差相等的点， r=0 时时, h =0, 像主点无移位。位移量与像像主点无移位。位移量与像主点的距离主点的距离r成正比。成正比。 h与与 h 成正比：成正比： h 0, 像点背离像主点方向移位；像点背离像主点方向移位； h 0, 像点朝向像主点方向移位像点朝向像主点方向移位;(3) h与航高与航高 H 成反比。成反比。地形起伏引起的像点位移地形起伏引起的像点位移 h = r*h/H3.2.2扫描成像类型的传感器扫描成像类型的传感器 红外扫描仪； MSSMSS多光谱扫描仪多光谱扫描仪； TM

15、专题制图仪； ETM+增强型专题制图仪。 HRV线阵列推扫式扫描仪 成像光谱仪3334光光/机扫描成像机扫描成像探测器的波段响应是扫描探测器的波段响应是扫描图像物理特性的决定因素图像物理特性的决定因素光光/机扫描成像机扫描成像实例（实例（MSS） MSS MSS 具有具有4 4个光谱通道。个光谱通道。Landsat 1-5Landsat 1-5均用了均用了MSSMSS，其中除其中除Landsat 3Landsat 3采用采用5 5个波段外，其余均用个波段外，其余均用4 4个波段。个波段。 MSS4MSS4：0.50.50.60.6微米，微米， 为蓝绿波段；为蓝绿波段；MSS5MSS5：0.60

16、.60.70.7微米，为橙红波段；微米，为橙红波段；MSS6MSS6：0.70.70.80.8微米，为红、近红外波段；微米，为红、近红外波段；MSS7MSS7：0.80.81.11.1微米，为近红外波段。微米，为近红外波段。MSS-4MSS-5MSS-7MSS-636成像板成像板 成像板上排列有 242个玻璃纤维单元，按波段排列成四列，每列有 6个纤维单元，每个纤维单元为扫描仪的瞬时视场的构像范围，由于瞬时视场为86rad，而卫星高度为915km，因此它观察到地面上的面积为 79m x 79m。mradKM79869151rad（弧度）=1000mrad（毫弧度）=1000000urad（微弧

17、度）37MSSMSS成像过程成像过程 扫描仪每个探测器的瞬时视场为86rad，卫星高为915km，因此扫猫瞬间每个像元的地面分辨率为 79m x 79m，每个波段由 6个相同大小的探测单元与飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面大小为474m x 79m。又由于扫描总视场为 11.56，地面宽度为185km，因此扫描一次每个波段获取6条扫描线图像，其地面范围为 474m x 185km。又因扫描周期为73.42ms，卫星速度（地速）为6.5KM/s，在扫描一次的时间里卫星往前正好移动474m，因此扫描线恰好衔接。光光/机扫描成像机扫描成像实例（实例（MSS）MSSBand4=BlueMSSBa

18、nd5=GreenMSSBand7=Red MSS-4MSS-5MSS-7MSS-639固体自扫描成像（推帚式扫描仪）固体自扫描成像（推帚式扫描仪）CCD传感器传感器40高光谱成像光谱扫描（成像光谱仪）高光谱成像光谱扫描（成像光谱仪） 成像光谱仪是新一代传感器，成像光谱仪是新一代传感器，20世纪世纪80年代正式开始研制；年代正式开始研制； 目的：目的：在获取大量目标窄波段连续光谱图象的同时，获得每在获取大量目标窄波段连续光谱图象的同时，获得每一个像元几乎连续的光谱数据一个像元几乎连续的光谱数据 （成像光谱仪）；（成像光谱仪）； 主要应用于高光谱航空遥感，在航天遥感领域高光谱也开主要应用于高光谱

19、航空遥感，在航天遥感领域高光谱也开始应用。始应用。高光谱成像光谱扫描（成像光谱仪）高光谱成像光谱扫描（成像光谱仪）（1 ）面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪）面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪 利用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件和面阵探测器完成光谱利用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描，利用线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。扫描，利用线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。42特点：特点：v 空间扫描由固体扫描完成（可见光空间扫描由固体扫描完成（可见光-近红外，用近红外，用CCD；短波红外用汞；短波红外用汞-镉镉-碲碲/CCD混合器件）；混合器

20、件）；v 像元的摄影时间长；系统的灵敏度和空间分辨率均可得到提高；像元的摄影时间长；系统的灵敏度和空间分辨率均可得到提高；v 在可见光波段，分辨率可提高到在可见光波段，分辨率可提高到1-2nm量级量级，短波红外灵敏度低，热，短波红外灵敏度低，热红外暂时不能感应；红外暂时不能感应；v 总视场角受限制总视场角受限制典型实例：加拿大的典型实例：加拿大的CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager)（1 ）面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪）面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪（2 ）线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪）线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪 掸扫式（whiskbroom）线阵列成像光谱仪，基本属于光-机扫描装置。 利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别在线阵列探测器的不同元件上；通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运动完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描。高光谱成像光谱扫描（成像光谱仪）高光谱成像光谱扫描（成像光谱仪）44特点：特点： 空间扫描通过扫描镜摆动在景物方面完成，总视场角大（可达空间扫描通过扫描镜摆动在景物方面完成，总视场角大（可达